度为零 ?C，电解器产生的氢气保持在1个大气压），设电解电流为I，经过时间t生产的氢气体积（氧气体积为氢气体积的一半）的理论值为：
ItV氢气??22.4升 （5）
2F式中F = e N = 9.65×104 库仑/摩尔为法拉第常数，e = 1.602×10-19库仑为电子电量，N = 6.022×1023为阿伏伽德罗常数，It/2F为产生的氢分子的摩尔（克分子）数，22.4升为标准状态下气体的摩尔体积。
若实验时的摄氏温度为T，所在地区气压为P，根据理想气体状态方程，可对（5）式作修正：
273.16?TP0ItV氢气????22.4升 （6）
273.16P2F式中P0为标准大气压。自然环境中，大气压受各种因素的影响，如温度和海拔高度等，其中海拔对大气压的影响最为明显.由国家标准GB4797.2-2005可查到，海拔每升高1000米，大气压下降约10％。
由于水的分子量为18，且每克水的体积为1cm3，故电解池消耗的水的体积为：
ItV水??18cm3?9.33It?10?5cm3 （7）
2F应当指出，（6），（7）式的计算对燃料电池同样适用，只是其中的I代表燃料电池输出电流，V氢气代表燃料消耗量，V水代表电池中水的生成量。
确认气水塔水位在水位上限与下限之间。
将测试仪的电压源输出端串连电流表后接入电解池，将电压表并联到电解池两端。
将气水塔输气管止水夹关闭，调节恒流源输出到最大（旋钮顺时针旋转到底），让电解池迅速的产生气体。当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候，打开气水塔输气管止水夹，排出气水塔下层的空气。如此反复2～3次后，气水塔下层的空气基本排尽，剩下的就是纯净的氢气和氧气了。根据表1中的电解池输入电流大小，调节恒流源的输出电流，待电解池输出气体稳定后（约1分钟），关闭气水塔输气管。测量输入电流，电压及产生一定体积的气体的时间，记入表1中。
表1 电解池的特性测量 氢气产生氢气产生输入电流I输入电压电量It（库量 量 时间t（秒） （A） （V） 仑） 测量值理论值 （升） 0．10 0．20 0．30 由（6）式计算氢气产生量的理论值。与氢气产生量的测量值比较。若不管输入电压与电流大小，氢气产生量只与电量成正比，且测量值与理论值接近，即验证了法拉第定律。 电压 1、 燃料电池输出特性的测量 1.2 开路电压 在一定的温度与气体压力下，改 1.0 电化学极化区 欧姆极化区 变负载电阻的大小，测量燃料电池的 0.8 0.6 4 0.4 浓差极化区 0.2 电流 图5 燃料电池的极化特性曲线
输出电压与输出电流之间的关系，如图5所示。电化学家将其称为极化特性曲线，习惯用电压作纵坐标，电流作横坐标。
理论分析表明，如果燃料的所有能量都被转换成电能，则理想电动势为1.48伏。实际燃料的能量不可能全部转换成电能，例如总有一部分能量转换成热能，少量的燃料分子或电子穿过质子交换膜形成内部短路电流等，故燃料电池的开路电压低于理想电动势。
随着电流从零增大，输出电压有一段下降较快，主要是因为电极表面的反应速度有限，有电流输出时，电极表面的带电状态改变，驱动电子输出阳极或输入阴极时，产生的部分电压会被损耗掉，这一段被称为电化学极化区。
输出电压的线性下降区的电压降，主要是电子通过电极材料及各种连接部件，离子通过电解质的阻力引起的，这种电压降与电流成比例，所以被称为欧姆极化区。
输出电流过大时，燃料供应不足，电极表面的反应物浓度下降，使输出电压迅速降低，而输出电流基本不再增加，这一段被称为浓差极化区。
综合考虑燃料的利用率（恒流供应燃料时可表示为燃料电池电流与电解电流之比）及输出电压与理想电动势的差异，燃料电池的效率为：
?电池P输出I电池U输出???100%＝100％ （8） I电解1.481.48?I电解某一输出电流时燃料电池的输出功率相当于图5中虚线围出的矩形区，在使
用燃料电池时，应根据伏安特性曲线，选择适当的负载匹配，使效率与输出功率达到最大。
实验时让电解池输入电流保持在300mA，关闭风扇。
将电压测量端口接到燃料电池输出端。打开燃料电池与气水塔之间的氢气、氧气连接开关，等待约10分钟，让电池中的燃料浓度达到平衡值，电压稳定后记录开路电压值。
将电流量程按钮切换到200mA。可变负载调至最大，电流测量端口与可变负载串联后接入燃料电池输出端，改变负载电阻的大小，使输出电压值如表2所示（输出电压值可能无法精确到表中所示数值，只需相近即可），稳定后记录电压电流值。
负载电阻猛然调得很低时，电流会猛然升到很高，甚至超过电解电流值，这种情况是不稳定的，重新恢复稳定需较长时间。为避免出现这种情况，输出电流高于210mA后，每次调节减小电阻0.5Ω，输出电流高于240mA后，每次调节减小电阻0.2Ω，每测量一点的平衡时间稍长一些（约需5分钟）。稳定后记录电压电流值。
表2 燃料电池输出特性的测量 电解电流＝ mA 0.90.80.80.70.7 输出电压U0 5 0 5 0 （V） 0 输出电流I（mA） 0 功率P=U×I（mW） 作出所测燃料电池的极化曲线。
5
作出该电池输出功率随输出电压的变化曲线。
该燃料电池最大输出功率是多少？最大输出功率时对应的效率是多少？ 实验完毕，关闭燃料电池与气水塔之间的氢气氧气连接开关，切断电解池输入电源。
【注意事项】
1. 使用前应首先详细阅读说明书。
2. 该实验系统必须使用去离子水或二次蒸馏水，容器必须清洁干净，否则将损坏系统。
3. PEM电解池的最高工作电压为6V，最大输入电流为1000mA，否则将极大地伤害PEM电解池。
4. PEM电解池所加的电源极性必须正确，，否则将毁坏电解池并有起火燃烧的可能。
5. 绝不允许将任何电源加于PEM燃料电池输出端，否则将损坏燃料电池。 6. 气水塔中所加入的水面高度必须在上水位线与下水位线之间，以保证P EM燃料电池正常工作。
7. 该系统主体系有机玻璃制成，使用中需小心，以免打坏和损伤。
8. 太阳能电池板和配套光源在工作时温度很高，切不可用手触摸，以免被烫伤。
9. 绝不允许用水打湿太阳能电池板和配套光源，以免触电和损坏该部件。 10. 配套“可变负载”所能承受的最大功率是1W，只能使用于该实验系统中。
11. 电流表的输入电流不得超过2A，否则将烧毁电流表。 12. 电压表的最高输入电压不得超过25V，否则将烧毁电压表。 13. 实验时必须关闭两个气水塔之间的连通管。
四、实验数据记录表格：
压强:1009.0hpa 温度:24.5℃
1电解池特性测量
表1 电解池的特性测量 输入电流I（A） 0．10 0．20 0．30 输入电压（V） 1.90 1.96 2.01 时间t（秒） 420 206 140 电量It（库仑） 42.0 41.2 42.0 氢气产生量 测量值 （升） 0.005 0.005 0.005 氢气产生量 理论值 0.0053 0.0054 0.0053 2燃料电池输出特性的测量
表2 燃料电池输出特性的测量 电解电流＝300 mA 输出电压U/V 0.959 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.689 输出电流
0 1.3 5.8 26.6 86.9 161.4 181
I/mA
功率P/mW 0 1.17 4.93 21.28 65.175 112.98 124.709
6
0.675 0.657 0.643 0.557 0.499 0.447 0.393 204 233 273 273 273 273 273 137.7 153.081 175.539 152.061 136.227 122.031 107.289 五、数据处理:
0.339 273 92.547 0.286 273 78.078
燃料电池极化特性曲线
燃料电池输出功率随输出电压的变化曲线 P最大=153.66mW 电压=0.643V
7
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